Контекст потока, переключение контекстов

Особую роль в структурах данных, описывающих потоки, играет контекст потока. Информацию, входящую в состав контекста, необходимо периодически сохранять и восстанавливать в случае возникновения различных событий, например, при переключении потоков. Обычно сохранению и последующему восстановлению подлежат:

· программный счетчик, регистр состояния и содержимое остальных регистров процессора;

· указатели на стек ядра и пользовательский стек;

· указатели на адресное пространство, в котором выполняется поток (каталог таблиц страниц процесса).

Эта информация сохраняется в текущем стеке ядра потока.

Контекст отражает состояние регистров процессора на момент последнего исполнения потока и хранится в структуре CONTEXT, определенной в заголовочном файле WinNT.h. Элементы этой структуры соответствуют регистрам процессора, например, для процессоров x86 процессоров в ее состав входят Eax, Ebx, Ecx, Edx и т д.. Win32-функция GetThreadContext позволяет получить текущее состояние контекста, а функция SetThreadContext - задать новое содержимое контекста. Перед этой операцией поток рекомендуется приостановить.

Помимо перечисленных в системе имеется много полезных функций, реализующих API для управления потоками. Их полный перечень содержится в MSDN.

Заключение

В лекции проанализированы функции CreateProcess и CreateThread и этапы создания процессов и потоков. Важными характеристиками потока являются его контекст и состояние.

Лекция 10 Планирование потоков.

Процессорное время — ограниченный ресурс, поэтому планирование — важная и критичная для производительности операция. Один из ключевых вопросов — выбор момента для запуска процедуры планирования. В системе реализовано приоритетное вытесняющее планирование с динамическими приоритетами. Для удобства пользователя и мобильности программ поддерживается слой абстрагирования приоритетов. Механизмы привязки позволяют организовать эффективное исполнение программ в многопроцессорных системах

Введение

Выбор текущего потока из нескольких активных потоков, пытающихся получить доступ к процессору называется планированием. Планирование - очень важная и критичная для производительности операция, поэтому система предоставляет много рычагов для ее гибкой настройки.

Выбранный для выполнения поток работает в течение некоего периода, называемого квантом, по истечении которого поток вытесняется, то есть процессор передается другому потоку. Предполагается, что поток не знает, в какой момент он будет вытеснен. Поток также может быть вытеснен даже, если его квант еще не истек. Это происходит, когда к выполнению готов поток с более высоким приоритетом.

Процедура планирования обычно связана с весьма затратной процедурой диспетчеризации - переключением процессора на новый поток, поэтому планировщик должен заботиться об эффективном использовании процессора. Принадлежность потоков к процессу при планировании не учитывается, то есть единицей планирования в ОС Windows является именно поток. Запуск процедуры планирования удобно проиллюстрировать на упрощенной (по сравнению с диаграммой, изображенной на рис. 5.3) диаграмме состояний потока, см. рис. 6.1.

 

Рис. 6.1. Упрощенная диаграмма состояний потоков в ОС Windows

Наиболее важным вопросом планирования является выбор момента для принятия решения. В ОС Windows запуск процедуры планирования вызывается одним из следующих событий.

Это, во-первых, события, связанные с освобождением процессора.

(1) Завершение потока

(2) Переход потока в состояние готовности в связи с тем, что его квант времени истек

(3) Переход потока в состояние ожидания

Во-вторых, это события, в результате которых пополняется или может пополниться очередь потоков в состоянии готовности.

(4) Поток вышел из состояния ожидания

(5) Поток только что создан

(6) Деятельность текущего потока может иметь следствием вывод другого потока из состояния ожидания.

В последнем случае выведенный из состояния ожидания поток может сразу же начать выполняться, если имеет высокий приоритет.

Наконец, процедура планирования может быть запущена, если изменяется приоритет потока в результате вызова системного сервиса или самой Windows, а также если изменяется привязка (affinity) потока к процессору, из-за чего поток не может больше выполняться на текущем процессоре.

Заметим, что переключение из пользовательского режима в режим ядра (и обратно) не влияет на планирование потока, так как контекст в этом случае не меняется.

В результате операции планирования система может определить, какой поток выполнять следующим, и переключить контексты старого и нового потоков. В системе нет центрального потока планировщика. Программный код, отвечающий за планирование и диспетчеризацию, рассредоточен по ядру. В случаях 1-3 процедуры планирования работают в контексте текущего потока, который запускает программу планировщика для выбора преемника и потенциальной загрузки его контекста.

Перевод потока из состояния ожидания в состояние готовности (вариант 4) может быть следствием прерывания, свидетельствующим об окончании операции ввода-вывода. В этом случае процедура планирования может быть отложена (deffered procedure call) до окончания выполнения высокоприоритетного системного кода.

Иногда подобный переход происходит в результате деятельности другого потока, который, например, выполнил операцию up на семафоре (пример 6-го варианта). Хотя этот другой поток и может продолжить работу, он должен запустить процедуру планирования, поскольку в очереди готовности могут оказаться потоки с более высоким приоритетом. По тем же причинам планирование осуществляется в случае запуска нового потока.

Алгоритмы планирования

Приоритеты

В ОС Windows реализовано вытесняющее приоритетное планирование, когда каждому потоку присваивается определенное числовое значение - приоритет, в соответствии с которым ему выделяется процессор. Потоки с одинаковыми приоритетами планируются согласно алгоритму Round Robin (карусель). Важным достоинством системы является возможность вытеснения потоков, работающих в режиме ядра - код исполнительной системы полностью реентерабелен. Не вытесняются лишь потоки, удерживающие спин-блокировку (см. лекцию "Синхронизация потоков"). Поэтому спин-блокировки используются с большой осторожностью и устанавливаются на минимальное время.

В системе предусмотрено 32 уровня приоритетов. Шестнадцать значений приоритетов (16-31) соответствуют группе приоритетов реального времени, пятнадцать значений (1-15) предназначены для обычных потоков, и значение 0 зарезервировано для системного потока обнуления страниц (см. рис. 6.2).

 

Рис. 6.2. Приоритеты потоков

Чтобы избавить пользователя от необходимости запоминать числовые значения приоритетов и иметь возможность модифицировать планировщик, разработчики ввели в систему слой абстрагирования приоритетов. Например, класс приоритета для всех потоков конкретного процесса можно задать с помощью набора констант-параметров функции SetPriorityClass, которые могут иметь следующие значения:

· реального времени (REALTIME_PRIORITY_CLASS),

· высокий (HIGH_PRIORITY_CLASS),

· выше нормы (ABOVE_NORMAL_PRIORITY_CLASS),

· нормальный (NORMAL_PRIORITY_CLASS),

· ниже нормы (BELOW_NORMAL_PRIORITY_CLASS)

· и неработающий (IDLE_PRIORITY_CLASS).

Относительный приоритет потока устанавливается аналогичными параметрами функции SetThreadPriority:

Совокупность из шести классов приоритетов процессов и семи классов приоритетов потоков образует 42 возможные комбинации и позволяет сформировать так называемый базовый приоритет потока (см. таб. 6.1).

 

Таблица 6.1. Формирование базового приоритета потока из класса приоритета процесса и относительного приоритета потока

	Приоритеты потоков
Классы приоритетов процессов Критичный ко времени	Самый высокий	Выше нормы	Нормальный	Ниже нормы	Самый низкий	Неработающий
Неработающий
Ниже нормы
Нормальный
Выше нормы
Высокий
Реального времени

Базовый приоритет процесса и первичного потока по умолчанию равен значению из середины диапазонов приоритетов процессов (24, 13, 10, 8, 6 или 4). Смена приоритета процесса влечет за собой смену приоритетов всех его потоков, при этом их относительные приоритеты остаются без изменений.

Приоритеты с 16 по 31 в действительности приоритетами реального времени не являются, поскольку в рамках поддержки мягкого реального времени, которая реализована в ОС Windows, никаких гарантий относительно сроков выполнения потоков не дается. Это просто более высокие приоритеты, которые зарезервированы для системных потоков и тех потоков, которым такой приоритет дает пользователь с административными правами. Тем не менее, наличие приоритетов реального времени, а также вытесняемость кода ядра, локализация страниц памяти (см. лекцию 10) и ряд дополнительных возможностей - все это позволяет выполнять в среде ОС Windows приложения мягкого реального времени, например, мультимедийные. Системный поток с нулевым приоритетом занимается обнулением страниц памяти. Обычные пользовательские потоки могут иметь приоритеты от 1 до 15.